广州超算神助攻！港科大研发全球最耐久氢燃料电池
时间:2022-08-26 10:10来源:广州日报 作者:方晴
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8月25日，广州日报记者从香港科技大学霍英东研究院和国家超级计算广州中心获悉，近日，香港科技大学化学及生物工程学系教授兼香港科大能源研究院院长邵敏华带领的团队依托“天河二号”研发了一款新型氢燃料电池，刷新了该种电池发电耐久性的世界记录，且极具经济效益，将有力推动绿色能源的普及化及碳中和目标的实现。其相关成果于6月成功发表在全球催化领域顶级期刊《Nature Catalysis》上。
氢燃料电池大规模商业化受限于昂贵的催化剂铂(Pt)
氢燃料电池利用无污染的氢气、氧气和水来产生和储存电，过程不会产生二氧化碳、悬浮粒子及其他有机会引致烟雾及健康问题的空气污染物，是较洁净的电能来源。氢燃料电池可以被应用于新能源汽车，从而改进交通运输领域的能源结构。
氢燃料电池对环境危害小，具有独特优势，但始终未能大规模商业化。原因是氢燃料电池依赖电催化剂(electrocatalyst)发电。但催化剂一般由铂(Pt)制成，这种金属不仅成本高昂，产量亦稀少。科学家们一直努力寻找譬如铁-氮-碳等较常见而廉价的物质作为铂(Pt)的替代品，但这些物质的催化发电效能和耐久性均欠佳。
新技术大幅降低铂(Pt)所需量达八成
邵敏华带领团队研发的这款新型氢燃料电池，大幅降低催化剂铂(Pt)的所需量达八成，更刷新了氢燃料电池发电耐久性的世界记录。
依托“天河二号”丰富的存储资源和强大的计算能力，团队对该催化剂表面的氧气还原反应(ORR)进行模拟计算，用密度泛函理论(DFT)证明其催化性能比铂更优越。
催化剂效能出众，其中一个原因是它有三个不同类型的活性中心(active site) 进行催化作用，较只有一个活性中心的传统催化剂多。由原子分散的铂、单原子铁，以及铂铁合金纳米粒子所组成的新型混合催化剂，可以加快催化速度，与此同时产生的催化作用较铂催化剂高出3.7倍。理论上，催化性能愈好，燃料电池所产生的功率也会愈大。
▲邵敏华教授手持氢燃料电池原型
这款新型混合催化剂的铂含量极低，但经过十万次电压循环（把电压值设于0.6V保持三秒，其后再把电压值加大至0.9V再保持三秒为一次循环）的加速压力测试后，其催化效率仍维持在97%；而一般的催化剂经过了三万次的加速压力测试后，效率降低约50%。团队的另一项测试显示，氢燃料电池使用了新型混合催化剂后，即使持续运作超过200小时（电压值设于0.6V），其催化效果也没有出现下降。
“天河二号”助产全球最耐久氢燃料电池
氢气氧化(HOR)和析出反应(HER)是燃料电池和水电解制氢的又一重要电化学反应。通过引入其他金属对原金属催化剂表面进行修饰，碱性HOR/HER的活性得到显著提高。然而，引入外部金属的作用及其提升HOR/HER活性的机理仍不明确。过往研究表明，在铂(Pt)表面引入钌(Ru)可以有效提高HOR/HER的催化活性，其背后的原因也成为了研究的重点。
邵敏华教授课题组从2020年起，通过结合现场衰减全反射-表面增强红外吸收光谱技术(ATR-SEIRAS)和密度泛函理论(DFT)计算，对Pt-Ru双金属表面的HOR/HER机理进行了深入研究。在模型构建及DFT计算中，研究人员模拟了不同吸附氢(Hfcc)覆盖度的包含显性水层的固-液界面（如下图所示），并对碱性介质中HOR/HER的反应过程进行了探索。
▲Ru/Pt(111)表面模型
通过南沙分中心为连接点的跨境专用科研光纤网络专线，研究团队借助超算对DFT软件进行编译，计算任务被提交至“天河二号”进行大规模并行计算，能够有效降低计算模拟时间，加速推进研究工作。
加强绿色能源应用，建立碳中和社会
“建立一个碳中和的社会，采用氢燃料电池这种绿色能源转换设备是有必要的。面对严峻的气候危机，绿色能源的应用必需进一步加强。我很高兴这个研究成果有助我们向这个目标迈进一步。” 邵敏华教授介绍道。
“天河二号”稳定丰富的高性能计算资源以及专业的技术支持为本项工作顺利开展提供了重要支撑。未来，邵敏华教授团队将继续依托超算深入研究各种催化剂表面的电催化反应机理，并构建更贴近真实实验条件的固-液界面。同时，通过对催化剂表面的电子结构进行分析和调控，团队将对已有催化剂进行改进、组合和优化，致力于从理论计算方向开发高性能催化剂，从而提升催化活性和促进催化反应，最终推动化学工业及整个社会的发展。
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